Hay más de 1 millón de cuencas fluviales excavadas en la topografía de los Estados Unidos, cada uno recolectando agua de lluvia para alimentar los ríos que los atraviesan. Algunas cuencas son tan pequeñas como arroyos individuales, mientras que otros abarcan casi la mitad del continente, abarcando, por ejemplo, toda la red del río Mississippi.

Las cuencas fluviales también varían en forma, cuales, como informan ahora los científicos del MIT, está fuertemente influenciado por el clima en el que se forman. El equipo descubrió que en las regiones secas del país, las cuencas fluviales adquieren un contorno largo y delgado, independientemente de su tamaño. En ambientes más húmedos, las cuencas fluviales varían:cuencas más grandes, en la escala de cientos de kilómetros, son largas y delgadas, mientras que las cuencas más pequeñas, abarcando unos pocos kilómetros, son notablemente bajos y rechonchos.

La diferencia, ellos encontraron, se reduce a la disponibilidad local de agua subterránea. En general, las cuencas de los ríos están formadas por la lluvia, que erosiona la tierra al desembocar en un río o arroyo. En ambientes húmedos, una gran fracción de la lluvia se filtra en la Tierra, creando una capa freática, o un depósito local de agua subterránea. Cuando esas aguas subterráneas se vuelvan a filtrar, también se puede cortar en una palangana, erosionando aún más y cambiando su forma.

Los investigadores encontraron que las cuencas más pequeñas que se forman en climas húmedos están fuertemente moldeadas por el agua subterránea local, que actúa para tallar más corto, cuencas más anchas. Para cuencas mucho más grandes que cubren un área geográfica más extensa, la disponibilidad de agua subterránea puede ser menos constante, y por lo tanto juega un papel menor en la forma de un lavabo.

Los resultados, publicado hoy en el Actas de la Royal Society A , puede ayudar a los investigadores a identificar climas antiguos en los que se formaron originalmente las cuencas, tanto en la Tierra como más allá.

"Esta es la primera vez que la forma de las redes fluviales se relaciona con el clima, "dice Daniel Rothman, profesor de geofísica en el Departamento de Tierra del MIT, Atmosférico, y Ciencias Planetarias, y codirector del Centro Lorentz del MIT. "Un trabajo como este puede ayudar a los científicos a inferir el tipo de clima que estaba presente cuando se incidieron inicialmente las redes fluviales".

Los coautores de Rothman son el primer autor y ex estudiante de posgrado Robert Yi, ex estudiante graduado visitante Álvaro Arredondo, estudiante de posgrado Eric Stansifer, y el ex postdoctorado Hansjörg Seybold de ETH Zurich.

Una conexión climática

En un trabajo anterior publicado en 2012, Rothman y sus colegas identificaron una conexión sorprendentemente universal entre el agua subterránea y la forma en que los ríos se dividen. o rama. El equipo formuló un modelo matemático para descubrir que, en regiones donde la erosión es causada principalmente por la filtración de agua subterránea, Los ríos se ramifican en un ángulo común de 72 grados. En el trabajo de seguimiento, encontraron que este ángulo de ramificación común se mantenía en ambientes húmedos, pero en regiones más secas, los ríos tendían a dividirse en ángulos más estrechos de alrededor de 45 grados.

"Las redes fluviales forman estas hermosas estructuras ramificadas, y el trabajo previo ha ayudado a explicar los ángulos en los que los ríos se unen para formar estas estructuras, "Yi dice." Pero cada río también está íntimamente conectado a una cuenca, que es el área de tierra de la que drena el agua de lluvia. Así que sospechamos que las formas de los bains podrían contener algunas curiosidades geométricas similares ".

El equipo se propuso encontrar un patrón universal similar en forma de cuencas fluviales. Para hacer esto, Accedieron a conjuntos de datos que contienen mapas detallados de todos los ríos y cuencas en los Estados Unidos contiguos (más de 1 millón en total) junto con conjuntos de datos que contienen dos parámetros climáticos para cada región del país:tasa de precipitación y evapotranspiración potencial, o la velocidad a la que se evaporaría el agua superficial si estuviera presente.

Los conjuntos de datos contenían estimaciones del área de cada cuenca fluvial, que los investigadores combinaron con la longitud del río de cada cuenca para calcular el ancho de una cuenca. Luego anotaron para cada cuenca, una relación de aspecto:la relación entre el largo y el ancho de una cuenca, lo que da una idea de la forma general de una cuenca. También calcularon el índice de aridez de cada cuenca, la relación entre la tasa de precipitación regional y la evapotranspiración potencial, que indica si la cuenca reside en un ambiente húmedo o seco.

Cuando trazaron la relación de aspecto de cada cuenca contra el índice de aridez local, encontraron una tendencia interesante:cuencas en climas secos, independientemente del tamaño, tomó mucho tiempo, formas delgadas, al igual que las grandes cuencas en ambientes húmedos. Sin embargo, las cuencas más pequeñas en regiones igualmente húmedas parecían significativamente más anchas y más cortas.

"Descubrimos que las cuencas áridas mantenían aproximadamente su forma con el tamaño, pero las cuencas húmedas se hicieron más estrechas a medida que se hicieron más grandes, "Dice Yi." Eso nos confundió durante mucho tiempo ".

Respuestas en el suelo

Los investigadores sospecharon que la dicotomía entre formas de tipo seco y húmedo se derivaba de sus observaciones previas de ríos ramificados:en climas húmedos, el agua subterránea juega un papel adicional a la lluvia en la creación de ramas más anchas de los ríos, en comparación con los climas más secos. Razonaron que el agua subterránea puede desempeñar un papel similar en la ampliación de la cuenca de un río.

Para comprobar su hipótesis, analizaron las características de la geología de cada cuenca, como los tipos de roca y suelo subyacentes a la cuenca, y la profundidad a la que pueden penetrar las aguas subterráneas. En general, encontraron que en climas más secos, cualquier agua de lluvia que se filtre en el suelo gotearía profundamente debajo de la superficie, como líquido corriendo a través de una almohadilla Brillo. Cualquier reservorio resultante, o nivel freático, sería demasiado profundo para que el agua subterránea regresara a la superficie.

A diferencia de, en ambientes más húmedos, es más probable que el agua sature el suelo, como agua del grifo empapando una esponja húmeda. En estos climas el agua se filtraría en el suelo, creando grandes mantos freáticos cerca de la superficie.

Luego, el equipo calculó hasta qué punto las ubicaciones de los arroyos correspondían a las ubicaciones donde emergían las aguas subterráneas. Encontraron una mayor correspondencia donde había más agua subterránea que se filtraba alrededor de las cuencas de los ríos en climas húmedos, versus en climas más secos. Esto sugiere que el agua subterránea juega un papel más importante en la formación de cuencas húmedas, creando más amplio, más formas en cuclillas, en contraste con el más largo, formas más delgadas de cuencas hidrográficas de clima seco.

Este efecto de las aguas subterráneas puede ser especialmente pronunciado en escalas más locales a lo largo de varios kilómetros. A escalas mucho mayores, abarcando casi la mitad del continente, el grupo encontró cuencas fluviales, incluso en ambientes húmedos, tomó mucho tiempo, contornos delgados, que puede atribuirse al hecho de que, sobre un área tan vasta, la interacción entre las aguas subterráneas y la estructura a gran escala de las redes fluviales es relativamente débil.

"Nuestro periódico establece un nuevo conexión a gran escala entre hidrogeología y geomorfología, "Dice Rothman." También representa una aplicación inusual de la física de la formación de patrones. … Todo esto resulta estar conectado con la geometría fractal. Así, en cierto sentido, estamos encontrando una conexión sorprendente entre el clima y la geometría fractal de las redes fluviales ".